Znajdź zawartość

Baterie litowo-jonowe (Li-Ion) to w tej chwili najwydajniejszy z masowo wykorzystywanych typów akumulatorów. Przy tej samej wadze i rozmiarze pozwalają na zmagazynowanie dwukrotnie większej ilości energii niż używane wcześniej akumulatory niklowo-metalowodorkowe. Nic dziwnego, że są tak powszechne: telefony komórkowe, laptopy, wszystkie akumulatory wbudowane w sprzęt elektroniczny - to właśnie baterie litowe. Ale poza zaletami, mają one niestety wiele wad. Wielokrotnie było głośno o zapalających się i wybuchających bateriach w telefonach i laptopach. Zdjęcia i filmy z palącymi się komputerami obiegały świat, były nawet doniesienia - choć nie do końca potwierdzone - o przypadkach śmierci spowodowanych eksplozją komórki. Akcje wymiany wadliwych akumulatorów kosztowały krocie największe firmy elektroniczne świata. A wszystko to przez drobniutkie włókna litu - który jest materiałem łatwopalnym. Osadzają się one na węglowej anodzie akumulatora, kiedy ten jest ładowany, albo rozładowywany zbyt szybko i powodują zwarcia - a w rezultacie przegrzewanie się i zapalenie baterii. Dlatego każdy akumulator litowy wyposażony jest w elektroniczny układ kontrolujący temperaturę i tempo ładowania. Niestety - taki układ również może się zepsuć, nie mówiąc już o tym, że pozostawienie urządzenia z takim akumulatorem w zbyt wysokiej temperaturze - choćby w samochodzie stojącym na słońcu - może być niebezpieczne. Eliminacja osadzania się litu na węglowej anodzie zlikwidowałaby większość problemów. Niestety, modele teoretyczne, które miały opisywać sposób gromadzenia się włókienek, nie przydały się na wiele, podobnie badania przy użyciu mikroskopów optycznych i skaningowych mikroskopów elektronowych. Dokładny przebieg procesów chemicznych wewnątrz litowo-jonowych baterii pozostawał tajemnicą aż do teraz. Postęp osiągnęli naukowcy z Cambridge, który opracowali prosty, ale skuteczny sposób na zajrzenie pod podszewkę akumulatora. Wykorzystali do tego spektroskopię przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) - badania wykorzystującego efekt absorpcji fal elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej przez jądra atomowe znajdujące się w polu magnetycznym. Spektroskopia NMR pozwoliła uczonym obserwować na żywo przebieg reakcji chemicznych w niewielkim akumulatorze li-ion. Dokładne zrozumienie przebiegu osadzania się litowych włókien pozwoli - na co liczą naukowcy - opracować sposób zapobiegania temu zjawisku. Bez rozwiązania problemu łatwopalności - jak podkreśla prof. Grey, autor badań - nie ma mowy o stworzeniu akumulatorów następnej generacji. A bez tego nie ma mowy o bezpiecznym ich zastosowaniu w środkach komunikacji. Obserwacja ogniw litowych podczas pracy pozwoli nam zrozumieć kiedy dokładnie i w jakich warunkach powstają niepożądane i kłopotliwe włókienka.

Umiejętne zastosowanie zjawiska rezonansu magnetycznego pozwala na znaczne rozszerzenie możliwości nowoczesnej diagnostyki - udowadnia badacz z Carnegie Mellon University. Dzięki użyciu odpowiednich "znaczników" możliwe jest nawet śledzenie niewielkich grup komórek krążących w organizmie. Obrazowanie z użyciem rezonansu magnetycznego (MRI - ang. Magnetic Resonance Imaging) polega na wytwarzaniu fal elektromagnetycznych o częstotliwości zgodnej z własną częstotliwością atomów określonego pierwiastka, a następnie odczytywaniu ich lokalizacji na podstawie pomiaru pola elektromagnetycznego powstałego w wyniku ich pobudzenia. Przypomina to nieco działanie wahadła: tylko określona częstotliwość popychania zawieszonej na sznurku kuli będzie ją rozpędzała, zaś każda inna będzie zmniejszała jej szybkość. Wystarczy wobec tego sprawdzić, które "wahadła" (atomy) zostały rozpędzone, by wiedzieć, czy należa do określonego pierwiastka. W typowym badaniu MRI wykorzystuje się częstotliwość charakterystyczną dla atomów wodoru, pierwiastka bardzo pospolitego w ludzkim organizmie (wchodzi w skład wody, cukrów, białek itd.). Prowadzący eksperyment dr Eric Ahrens poszukiwał jednak pierwiastka znacznie rzadszego - fluoru. Eksperyment polegał na wyznakowaniu komórek krwi za pomocą perfluoropolieteru (PFPE), związku organicznego wysyconego atomami fluoru. Nasycone tą substancją komórki podano następnie do organizmu myszy. Po pewnym czasie przeprowadzono badanie zwierząt z użyciem rezonansu magnetycznego. Dr Ahrens wykazał, że zastosowanie opisanej techniki pozwala na precyzyjną ocenę liczby i lokalizacji podanych komórek w ciele gryzonia. Jak tłumaczy naukowiec, dzięki naszej technologii możemy obrazować określone komórki w czasie rzeczywistym i w sposób wysoce selektywny. Pozwala to na śledzenie ich położenia i ruchu oraz na ocenę ich liczby. Następnie używamy konwencjonalnego badania MRI, by uzyskać wysokiej jakości obraz pozwalający na zlokalizowanie poszukiwanych komórek w kontekście anatomicznym. Proces ten jest ułatwiony właśnie dzięki zastosowaniu fluoru jako chemicznego "znacznika" - jest on na tyle rzadki, że pozytywny sygnał w badaniu rezonansem magnetycznym oznacza wykrycie poszukiwanych komórek, a nie jakichkolwiek innych struktur. Możliwość śledzenia zmian położenia komórek krwi jest konieczna dla zrozumienia ich roli w procesach chorobowych. Dzięki opracowanej na Carnegie Mellon University metodzie możliwa jest ich obserwacja w czasie rzeczywistym i w sposób nieszkodliwy dla myszy, co także stanowi jej istotną zaletę. Jest to również istotne z punktu widzenia badań klinicznych - coraz więcej terapii eksperymentalnych opiera się na zastosowaniu żywych komórek, lecz stosowane dotychczas metody ich znakowania, oparte na użyciu jonów metali, były niezadowalające z uwagi na niską precyzję analizy. Zdaniem dr. Ahrensa metoda znakowania komórek z użyciem PFPE może być przydatnym narzędziem monitorowania postępu leczenia: moglibyśmy znakować lecznicze komórki z użyciem naszego odczynnika zanim wszczepimy je do organizmu. W ten sposób moglibyśmy używać MRI do wizualizowania ruchu komórek w ciele pacjenta i monitorować, czy migrują do miejsc, gdzie powinny ostatecznie trafić, i czy zatrzymują się tam na dłużej.